TWI535905B - 纖維預成型件、纖維強化複合材及其製造方法 - Google Patents

Description

纖維預成型件、纖維強化複合材及其製造方法

本發明係概括有關於纖維強化複合材且特別有關於具有強化複合材材料中所使用的織造條帶材料之預成型件，其可被平織及摺疊成其最後形狀。

合併於本文以供參考

所有專利案、專利申請案、文件、參考文件、製造者對於此處所提及的任何產品之指示、描述、產品規格及產品說明頁係皆被合併於本文中以供參考，並可用來實施本發明。

先前技藝描述

現今廣泛採用強化複合材材料來生產結構性組件，特別是在追求輕重量、強固、耐用、耐熱、自我支撐且適可被成形及定形等理想特徵之應用中尤然。此等組件譬如使用在航空、航太、衛星、休閒(如賽艇及汽車)、及其他應用中。

一般而言，此等組件係由嵌入基質材料中的強化材料所組成。強化組件可由諸如玻璃、碳、陶瓷、芳醯胺、聚乙烯、及或/其他展現理想物理、熱性、化學及/或其他性質的材料等材料製成，其中主要是對抗應力失效的高強度。利用此等強化材料，其終將變成完成組件的一成份元件，強化材料之諸如很高強度等理想特徵對於完成的複合材組件係很重要。成份強化材料通常可被織造、針織或編結。通常係特別注意確使已經據以選擇成份強化材料之性質受到最適的利用。通常，此等強化預成型件係與基質材料合併以形成理想的完成組件或產生用於最終生產完成組件之工作胚料。

在所想要的強化預成型件構成之後，基質材料可被導入至預成型件且進入其內，故一般而言，強化預成型件變成被包封於基質中且基質材料充填於強化預成型件的成份元件之間的間隙性區域。基質材料可為任何廣泛的多種不同材料，諸如環氧樹脂、聚酯、乙烯-酯、陶瓷、碳及/或其他材料，其亦展現理想的物理、熱性、化學及/或其他性質。被選擇用來作為基質的材料可能係與強化預成型件相同或不同，且可能具有或不具有相似的物理、化學、熱性或其他性質。然而，一般而言，由於使用複合材的一般目的首先即在於達成若單獨使用一種成份材料所無法達到之完成產品特徵的一組合，其將不具有相同材料或相似的物理、化學、熱性或其他性質。如此合併，強化預成型件及基質材料隨後可藉由熱固或其他習知方法在相同操作中被固化及穩定化，然後接受其他操作進而產生所想要的組件。請務必注意在依此固化後之此點，此時經固體化的基質材料團塊通常係很強固地黏著至強化材料(譬如，強化預成型件)。結果，完成組件上的應力-特別是經由作為纖維間的黏劑之其基質材料-係可有效地被轉移至強化預成型件的成份材料且由其支承。

時常想要製作出具有如板、片、矩形或正方形固體等簡單幾何形狀以外的組態之組件。一種達成方式係將此等基本幾何形狀合併成所想要的較複雜形式。任何此等形狀中，一相關考量係在於使成份組件之間的各接合點盡量地強固。已知基本上強化預成型件成份具有理想的很高強度，接合點的脆弱性實質上係變成結構“鏈”中的一“弱鏈節”。

雖然先前技藝已試圖改良強化複合材的結構完整度並已達成部份的成功，仍想要經由利用黏劑或機械耦合之外的不同途徑予以改良或解決問題。因此，一種途徑係有可能藉由專用機具生成一織造三維(3D)結構。然而，牽涉到顯著費用，且很少希望具有一部針對生成單一結構之編織機。另一途徑則是編織一二維(2D)結構並將其摺疊成3D形狀藉以整體式織造片板，亦即使紗線被連續地互織於平面性基底或片板部分及其他成份部分之間。

由於航空器及噴射引擎中增加採用具有此等纖維預成型件強化物之複合材材料，已經導致對於複合圓錐形殼之需求。形成圓錐形殼之傳統途徑係產生呈現一環帶的一扇形部形狀之一扁平圖案10，如第1A圖所示。受到摺疊使得兩直線狀邊緣15彼此對準時，此形狀係傾向於採行一圓錐20的一截頭體形狀，如第1B圖所示。扁平圖案10可從習見2D織物被切割，或譬如可利用極式編織設備被直接織造成環狀形狀。

然而，兩方法皆具有特定限制。利用2D織物將導致一均勻厚度殼，纖維在兩方向呈均勻分佈，但纖維方向將不對準於圓錐的主要方向，亦即圓周及軸向方向。另一方面，極式編織將纖維定向於主要方向中，但纖維分佈則將在軸向方向變動。任一案例中，均將在兩直線狀邊緣匯合處具有一不連續接縫。此外，雖然圓錐實際上可具有任何維度，可從單一扁平圖案製作的最大尺寸係受限於織造機的尺寸，且若利用習見2D織物來生產圓錐，則會具有顯著的廢料材料。然而，利用單件的織物係為理想方式，原因在於其盡量減少接縫數並降低了切割及定位織物所需要的碰觸勞力(touch labor)。

發明概要

因此，本發明係克服習見方法的尺寸限制及部分纖維分佈問題。

本發明之一目的係為產生一圓錐形殼，其中使成份纖維方向對準於圓錐的主要方向，亦即圓周及軸向方向。這導致一相對於主要座標系具有均勻強度及勁度(stiffness)之預成型件，並盡量加大所產生結構的主要方向中之強度及勁度。

本發明另一目的係為產生一在圓周及軸向方向皆具有均勻纖維分佈之圓錐形殼。

本發明又另一方面係為產生一具有橫越複合材整體表面積的連續匝環纖維之圓錐形殼，所以在Z方向於結構中並未形成不連續接縫。

本發明又另一目的係為產生一實際具任何尺寸之圓錐形殼。

本發明又另一目的係為產生一具有最少量織物材料浪費之圓錐形殼。

本發明又另一目的係為利用一單件織物產生一圓錐形殼，以盡量減少件數並降低碰觸勞力。

為此，本發明的一示範性實施例係為一包括複數個經紗及緯紗紗線或纖維之纖維預成型件，該等複數個經紗及緯紗紗線或纖維係互織以形成一連續螺旋織物。螺旋織物可採行一阿基米德螺旋(Archimedes spiral)的形狀。預成型件中的緯紗紗線可具有一均勻或可變的揀取間隔，或一均勻或可變的角度分離。阿基米德螺旋中所定形之織物係可被組裝或包繞以形成一圓錐形殼結構，其可為一旋件或出口圓錐的一部分。阿基米德螺旋織物可在一部配備有一差動接取機構之織造機上被織造。預成型件亦可包括以複數個經紗及緯紗紗線或纖維所織造之一第二層的阿基米德螺旋織物，且第二阿基米德螺旋織物可被包繞於第一阿基米德螺旋織物上方以提供額外強度或產生一平衡的預成型件。

本發明根據另一示範性實施例係為一包括該纖維預成型件之纖維強化複合材。

本發明根據又一實施例係為一用於形成一纖維預成型件之方法，該方法包括下列步驟：互織複數個經紗及緯紗紗線或纖維以形成一阿基米德螺旋形狀的一連續螺旋織物，組裝或包繞阿基米德螺旋的螺旋織物於一經定形心軸上以形成一圓錐形殼結構，及沿著對應的修整線修整圓錐形殼的頂及底邊緣。該方法亦可包括以複數個經紗及緯紗紗線或纖維編織一第二連續阿基米德螺旋織物，及包繞第二阿基米德螺旋織物於第一阿基米德螺旋織物上方以提供額外強度或產生一平衡的預成型件。緯紗紗線可以一均勻或可變的揀取間隔、或一均勻或可變的角度分離被插入。阿基米德螺旋織物可在一部配備有一差動接取機構之織造機上被織造。

本發明根據又一實施例係為一用於形成一包括該纖維預成型件的纖維強化複合材之方法。

本發明的預成型件可為利用對於經紗纖維的任何方便圖案─亦即薄層至薄層(ply-to-ply)、貫穿厚度角度互鎖、正交等─所織造之一單層編織或一多層編織織物。雖然對於該結構偏好採用一平紋編織，預成型件實際上可利用諸如平紋、斜紋、緞等任何習見編織圖案所織造。類似地，雖然偏好採用碳纖維，本發明實際可適用於任何其他的纖維類型。

本發明的纖維預成型件之可能應用係包括用於噴射引擎之旋件或出口圓錐。

在此揭示所附帶且構成此揭示一部份之申請專利範圍中係特別指出身為本發明特徵之各種不同的新穎特徵構造。為了更加瞭解本發明、其操作優點及利用其所達成的特定目的，請參照用於顯示本發明的較佳且非限制性實施例之伴隨的描述性項目，其中對應組件標以相同的編號。

此揭示中的“包含(comprising、comprises)”用語係可指“包括(including、includes)”或可具有美國專利法中常給予“包含(comprising、comprises)”用語之意義。申請專利範圍中若使用“主要由~所組成(consisting essentially of、consists essentially of)”用語則具有美國專利法中賦予其的意義。本發明的其他態樣係描述於下列揭示中或自下列揭示得知(且位於本發明範圍內)。

圖式簡單說明

被包括以供進一步瞭解本發明之附圖係併入且構成此說明書的一部份。此處所提出的圖式係顯示本發明的不同實施例且連同描述用來說明本發明的原理。圖中：第1A圖是一扁平圖案的一環帶之一扇形部的示意圖；第1B圖是藉由包繞第1A圖所示的扁平圖案所形成之一圓錐的示意圖；第2圖是根據本發明的一態樣所形成之一阿基米德螺旋織物的示意圖；第3A及3B圖是根據本發明的一態樣所形成之一圓錐形殼預成型件的不同視圖；第4圖是根據本發明的一態樣所形成之經修整圓錐形殼預成型件；及第5圖是根據本發明的一態樣所形成之一阿基米德螺旋織物的示意圖；及第6圖顯示根據本發明的不同態樣所形成之經修整圓錐形殼預成型件。

較佳實施例的詳細描述

現在下文將參照圖式更完整地描述本發明，圖中係顯示本發明的較佳實施例。然而，本發明可以許多不同形式實施且不應視為限於此處提出的示範實施例。而是，提供這些示範實施例係使得此揭示徹底且完整，並將本發明的範圍完整地傳達予熟習該技術者。

下文描述中，類似的代號係代表各圖中類似或對應的部份。此外，下文描述中，請瞭解諸如“上”、“下”、“頂”、“底”、“第一”、“第二”用語及類似物係為方便用語而不視為限制性用語。

本發明根據一示範性實施例係為一用於利用以一阿基米德螺旋形狀所織造的一相對較狹窄織物產生一纖維預成型件、譬如一圓錐形殼之方法。可利用此方法所產生之一預成型件100的一範例係以其未包繞形式顯示於第2圖中。

螺旋織物50利用經紗及緯紗纖維或紗線所織造，其可由適合該目的之任何材料、或展現理想物理、熱性及/或化學性質的任何材料製成。碳、耐綸、嫘縈、玻璃纖維、陶瓷、芳醯胺、聚酯、及金屬紗線或纖維只是數項範例。雖然偏好採用扁平複絲紗線，可使用任何形式的紗線或纖維，譬如單絲、扁平單絲、複絲紗線、紋理狀複絲紗線、扭曲狀複絲紗線、編結狀結構、或其組合。若需要的話，各該等紗線組件或纖維可塗覆有一或多層的一塗覆物，譬如可增強組件纖維的效能之一修製物或任何其他塗覆物。

譬如，螺旋織物50可在一部梭式織造機、或配備有一差動接取系統之任何其他織造機上被織造。一差動接取系統係容許織物的邊緣以不同速率前進，故可使織物具有一所想要且自然的平面中曲率。該系統可被程式化故可對於各揀取指定不同的接取量。譬如，第2圖的螺旋30及40係代表螺旋織物50的邊緣且平行於經紗纖維，而線32代表預成型件之緯紗纖維的路徑。半圓形22、24係為用於指示出預成型件100的頂及底邊緣之修整線，其可被修整藉以使邊緣呈扁平且彼此平行。半圓形22譬如是對於預成型件100的頂或上邊緣之一切割線，而半圓形24譬如是對於預成型件100的底或下邊緣之一切割線。

如第3A圖所示，可選擇編織機的接取系統以產生一螺旋織物使得接續的緯紗纖維之間的角度為恆定且所有緯紗纖維皆具相同長度。這產生一均勻寬度織物50，當織物被捲繞在一經定形心軸上成為一圓錐時，其具有在r-z平面中被對準的軸向纖維，如第3B圖所示。經紗纖維係沿著一連續捲繞於圓錐周圍之淺螺旋體26被定向。

根據一實施例，一具有在相反方向沿著一螺旋體被定向的經紗纖維之互補性織物(未圖示)係可捲繞於第一織物50上方以產生一平衡的預成型件。互補性織物可能與第一螺旋織物相同或不同。可使用額外層的螺旋織物以具有增強的物理性質，譬如額外強度。如早先所提及，此預成型件亦可沿著第2圖所示的半圓形路徑被修整，導致圓錐形殼預成型件100的一截頭體。或者，兩織物皆可先包繞於一經 定形心軸周圍，一者位於一者上方，然後可修整預成型件100的頂及底邊緣。然而應注意，由於織物50先天傾向於捲繞在經定形心軸或圓錐上而在相鄰捲繞物之間並無間隙或重疊，頂及底邊緣的修整係為本方法唯一所需要的切割。譬如，根據本發明的方法所形成之一經修整圓錐形殼預成型件100的一範例係顯示於第4圖。

上述實施例中，緯紗纖維可能傾向於累積在圓錐的窄端，很像其在一極式織造織物中的情形。然而，根據本發明的一示範性實施例，可藉由編織一在相鄰緯紗纖維之間具有均勻揀取間隔或一均勻弧長而非具有一均勻角度之螺旋織物150予以消除。譬如，這導致一在預成型件200的整體表面上方於經紗及緯紗纖維之間維持均勻平衡之螺旋織物150，如第5圖所示。第5圖是用於一具有均勻揀取間隔的織物150之一扁平圖案的一範例，而第6圖譬如顯示本發明的預成型件200之均勻揀取間隔設計及預成型件100之均勻角度分離設計兩者。然而應注意，雖然此處描述具有均勻揀取間隔及均勻角度分離的緯紗之設計，本發明不在此限。譬如，緯紗紗線或纖維的揀取間隔及/或角度分離係可為可變式，原因是織物可在圓錐的主體部中具有均勻的揀取間隔，但可隨其接近難以裝填相同纖維量之圓錐梢端而產生改變。

如上述，本發明的方法及預成型件係克服習見方法的尺寸限制及部分纖維分佈問題。本圓錐形殼的成份纖維方向係很接近對準於圓錐的主要方向，亦即圓周及軸向方向。這導致一相對於主要座標系具有均勻強度及勁度之預成型件，並盡量加大所產生結構的主要方向中之強度及勁度。此外，圓錐形殼可在圓周及軸向方向中具有均勻的纖維分佈，且亦具有橫越複合材的整體表面積之連續匝環纖維，故在結構的圓周方向中並未形成有不連續接縫。

本發明的又另一優點係在於圓錐形殼可實際具有任何尺寸，且可以最少量織物材料浪費所產生。此外，圓錐形殼可利用一單件織物產生以盡量減少件數並降低碰觸勞力。

本發明的預成型件可為利用對於經紗纖維的任何方便圖案─亦即薄層至薄層(ply-to-ply)、貫穿厚度角度互鎖、正交等─所織造之一單層編織或一多層編織織物。雖然對於該結構偏好採用一平紋編織，預成型件實際上可利用諸如平紋、斜紋、緞等任何習見編織圖案所織造。類似地，雖然偏好採用碳纖維，本發明實際可適用於任何其他的纖維類型。

預成型件100、200被組裝或包繞成所想要的圓錐形殼形狀之後，預成型件100、200可被形成為一供諸如用於噴射引擎的旋件或出口圓錐等圓錐形結構中使用之複合材。預成型件100、200可譬如藉由利用諸如樹脂轉移模製、化學蒸氣過濾、濕敷或樹脂膜注入等任何習見的樹脂注入方法使其浸漬有一諸如環氧樹脂、雙馬來醯亞胺、聚酯、乙烯-酯、陶瓷、及碳等基質材料而被處理成一強化複合材，藉以形成一三維複合材結構。

本發明的織造預成型件之可能應用係包括利用一阿基米德螺旋結構或圓錐形殼結構之任何結構性應用，但此處只提到用於噴射引擎之旋件或出口圓錐作為範例。

雖然此處已詳細描述本發明的較佳實施例及其修改，請瞭解本發明不限於此等確切實施例及修改，且熟習該技術者可實行其他修改及變異而不脫離由申請專利範圍所界定之本發明的精神與範圍。

22，24‧‧‧半圓形，用於指示出預成型件100的頂及底邊緣之修整線

26‧‧‧淺螺旋體

30，40‧‧‧螺旋

32‧‧‧線，預成型件之緯紗纖維的路徑

50‧‧‧螺旋織物，第一織物

100，200‧‧‧預成型件

150‧‧‧螺旋織物

第1A圖是一扁平圖案的一環帶之一扇形部的示意圖；第1B圖是藉由包繞第1A圖所示的扁平圖案所形成之一圓錐的示意圖；第2圖是根據本發明的一態樣所形成之一阿基米德螺旋織物的示意圖；第3A及3B圖是根據本發明的一態樣所形成之一圓錐形殼預成型件的不同視圖；第4圖是根據本發明的一態樣所形成之經修整圓錐形殼預成型件；及第5圖是根據本發明的一態樣所形成之一阿基米德螺旋織物的示意圖；及第6圖顯示根據本發明的不同態樣所形成之經修整圓錐形殼預成型件。

22，24‧‧‧半圓形，用於指示出預成型件100的頂及底邊緣之修整線

30，40‧‧‧螺旋

32‧‧‧線，預成型件之緯紗纖維的路徑

50‧‧‧螺旋織物，第一織物

100‧‧‧預成型件

Claims (34)

1. 一種圓錐形纖維預成型件，包含：複數個經紗及緯紗紗線或纖維，其中該等經紗及緯紗紗線或纖維係互織以形成一連續平面螺旋織物，其中該螺旋織物係為一阿基米德螺旋(Archimedes spiral)的形狀，以及其中該阿基米德螺旋的螺旋織物係被組裝或包繞成一圓錐形殼結構。
2. 如申請專利範圍第1項之預成型件，其中該等緯紗紗線具有一均勻或可變的揀取間隔。
3. 如申請專利範圍第1項之預成型件，其中該等緯紗紗線具有一均勻或可變的角度分離。
4. 如申請專利範圍第1項之預成型件，其中該圓錐形殼結構係為一旋件或出口圓錐的一部分。
5. 如申請專利範圍第1項之預成型件，其中該螺旋織物係在一配備有一差動接取機構之織造機上被織造。
6. 如申請專利範圍第1項之預成型件，進一步包含：一第二連續螺旋織物，其以複數個經紗及緯紗紗線或纖維所織造。
7. 如申請專利範圍第6項之預成型件，其中該第二螺旋織物係為一阿基米德螺旋的形狀。
8. 如申請專利範圍第6項之預成型件，其中該第二螺旋織物係與該第一螺旋織物相同或不同。
9. 如申請專利範圍第6項之預成型件，其中該第二螺旋織 物係以相反方向被包繞在申請專利範圍第1項之螺旋織物上方。
10. 如申請專利範圍第1或6項之預成型件，其中該等經紗及緯紗紗線或纖維係選自下列各物所組成的群組：碳，耐綸，嫘縈，玻璃纖維，陶瓷，芳醯胺，聚酯，及金屬紗線或纖維。
11. 如申請專利範圍第1或6項之預成型件，其中該等經紗及緯紗紗線或纖維係選自下列各物所組成的群組：單絲，扁平單絲，複絲紗線，扁平複絲紗線，紋理狀複絲紗線，扭曲狀複絲紗線，及編結狀結構。
12. 如申請專利範圍第1或6項之預成型件，其中該等經紗及緯紗紗線或纖維係塗覆有可增強該等組件纖維的效能之一或多層的一塗覆物、一修製物或任何其他塗覆物。
13. 一種纖維強化複合材，包含根據申請專利範圍第1項之纖維預成型件。
14. 如申請專利範圍第13項之複合材，進一步包含一基質材料。
15. 如申請專利範圍第14項之複合材，其中該基質材料係為一樹脂，且該複合材係由選自下列各方式所組成的群組之一製程形成：樹脂轉移模製，化學蒸氣過濾，濕敷及樹脂膜注入。
16. 如申請專利範圍第14項之複合材，其中該基質材料係選自下列各物所組成的群組：環氧樹脂，雙馬來醯亞胺，聚酯，乙烯-酯，陶瓷，及碳。
17. 如申請專利範圍第13項之複合材，其中該複合材係為一旋件或出口圓錐。
18. 一種用於形成一纖維預成型件之方法，該方法包含下列步驟：互織複數個經紗及緯紗紗線或纖維，以形成一連續螺旋織物，其中該螺旋織物係以一平面阿基米德螺旋的形狀所織造，以及組裝或包繞該阿基米德螺旋的平面螺旋織物以形成一圓錐形殼結構。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該等緯紗紗線係以一均勻或可變的揀取間隔被插入。
20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該等緯紗紗線係以一均勻或可變的角度分離被插入。
21. 如申請專利範圍第18項之方法，進一步包含下列步驟：沿著對應的修整線修整該圓錐形殼的頂及底邊緣。
22. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該螺旋織物係在一配備有一差動接取機構之織造機上被織造。
23. 如申請專利範圍第21項之方法，進一步包含下列步驟：以複數個經紗及緯紗紗線或纖維編織一第二連續螺旋織物。
24. 如申請專利範圍第23項之方法，進一步包含下列步驟：包繞該第二螺旋織物於申請專利範圍第18項之螺旋織物上方。
25. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該第二螺旋織物係 為一阿基米德螺旋的形狀。
26. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該第二螺旋織物係與該第一螺旋織物相同或不同。
27. 如申請專利範圍第18或23項之方法，其中該等經紗及緯紗紗線或纖維係選自下列各物所組成的群組：碳，耐綸，嫘縈，玻璃纖維，陶瓷，芳醯胺，聚酯，及金屬紗線或纖維。
28. 如申請專利範圍第18或23項之方法，其中該等經紗及緯紗紗線或纖維係選自下列各物所組成的群組：單絲，扁平單絲，複絲紗線，扁平複絲紗線，紋理狀複絲紗線，扭曲狀複絲紗線，及編結狀結構。
29. 如申請專利範圍第18或23項之方法，其中該等經紗及緯紗紗線或纖維係塗覆有可增強該等組件纖維的效能之一或多層的一塗覆物、一修製物或任何其他塗覆物。
30. 一種用於形成一纖維強化複合材之方法，該方法包含下列步驟：形成根據申請專利範圍第18項之一纖維預成型件。
31. 如申請專利範圍第30項之方法，進一步包含下列步驟：浸漬該預成型件於一基質材料中。
32. 如申請專利範圍第31項之方法，其中該基質材料係為一樹脂，且該複合材係由選自下列各方式所組成的群組之一製程形成：樹脂轉移模製，化學蒸氣過濾，濕敷及樹脂膜注入。
33. 如申請專利範圍第31項之方法，其中該基質材料係選自 下列各物所組成的群組：環氧樹脂，雙馬來醯亞胺，聚酯，乙烯-酯，陶瓷，及碳。
34. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該複合材係為一旋件或出口圓錐。